快速成型技术-第二章(2.4-3DP-2.5LOM)

本章目标了解常用的快速成型方法种类掌握常用的各种快速成型方法的技术原理和特点掌握各种快速成型方法常用的材料种类及特点熟悉各种常用快速成型方法的工艺过程了解各种快速成型方法的应用领域立体光固化成型工作原理使用材料技术特点工艺过程应用领域熔融沉积成型选择性激光烧结成型三维印刷工艺分层实体制造常用的快速成型工艺方法主要有以下几种：下面主要从五个方面讲解着几种常用的快速成型方法：粉末材料三维印刷工艺（3DP或3DPG-ThreeDimensionalPrintingGluing）快速成型工艺是由美国麻省理工学院开发成功的技术的专利，该技术使用黏结剂，将金属、陶瓷等粉末粘接为成型物体。它的工作过程类似于喷墨打印机。目前使用的材料多为粉末材料（如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等），其工艺过程与SLS工艺类似，所不同的是材料粉末不是通过激光烧结连接起来的，而是通过喷头喷涂粘结剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘结剂粘结的零件强度较低，还需后处理。后处理过程主要是先烧掉粘接剂，然后在高温下渗入金属，使零件致密化以提高强度。1989年，麻省理工学院教授EmanualSaches申请了三维印刷（Three-Dimensional1995年，麻省理工学院的毕业生JimBredt和TimAnderson获得麻省理工大学的授权，改进了3DP技术，并成立了ZCorporation公司，成为彩色快速成型技术领域的先行者。2.4三维印刷工艺（3DP）2.4.1工作原理首先，使用水平压辊将粉末平铺在打印平台上，再将带有颜色的胶水通过加压的方式输送到打印头；然后，打印头在计算机的控制下，按照截面的成形数据，有选择地将胶水喷射在粉末平面上；一层粉末黏结完成之后，打印仓升降平台下降一个层厚的距离，水平压辊再次将粉末铺平，然后开始新一层的黏结。2.4三维印刷工艺（3DP）如此逐层反复，最终完成一个制件的成型，未被喷射胶水的地方则为干粉，在成形过程中起支撑作用，成形结束后也很容易去除。三维喷印刷工艺原理以粉末作为成型材料的3DP的工艺原理如图所示。首先按照设定的层厚进行铺粉，随后根据当前叠层的截面信息，利用喷嘴按指定路径将液态粘结剂喷在预先铺好的粉层特定区域，之后工作台下降一个层厚的距离，继续进行下一叠层的铺粉，逐层粘结后去除多余底料便得到所需形状制件。2.4三维印刷工艺（3DP）3DP工艺使用的材料包括粉末材料、与之匹配的黏结材料以及后处理材料，为了满足成型要求，需要综合考虑粉末及相应黏结溶液的成分和性能。2.4.2使用材料材料要求粉末材料（1）粉末颗粒小，最好成球状，大小均匀，无明显团聚现象。（2）粉末流动性好，不易使供粉系统堵塞，并能铺成薄层。（3）黏结溶液喷射到上面时不出现凹陷、溅散和孔洞。（4）与黏结溶液作用后会很快固化。黏结材料（1）性能稳定，可以长期储存。（2）不腐蚀喷头。（3）黏度合适，表面张力足够高，能按预期的流量从喷头中喷出。（4）不易干涸，可以延长喷头的抗堵塞时间。后处理材料（1）与制件相匹配，不破坏制件的表面质量。（2）能够迅速与制件发生反应，处理速度快。2.4三维印刷工艺（3DP）2.4.3技术特点技术优势（1）可以进行24位全彩3D打印，色彩丰富，可选材料种类多。（2）成型过程中不需要支撑结构，去除多余粉末也较为方便。（3）喷头可以进行阵列式扫描而非激光点扫描，打印速度快，能够实现大尺寸制件的打印。（4）没有激光器，设备价格较为低廉。（5）工作过程无污染。成型过程无大量热量产生，无毒无污染。在如今由金属激光烧结类快速成型工艺主导的市场，3DP工艺虽然时常份额小，但仍扮演着重要角色。因其很好的填补了激光烧结类成型工艺的某些空白。2.4三维印刷工艺（3DP）2.4.3技术特点技术局限（1）精度和光洁度不理想，因此更适用于制作概念模型，而不适合制作结构复杂或者细节较多的薄型物件。（2）制件强度低。由于制件是用粉末直接粘结成型，而粘结剂的粘结能力有限，因此制件的强度比较低，基本智能作样品展示，而无法进行功能性实验。三维喷涂粘结快速成型技术在制造模型时也存在许多缺点，如果使用粉状材料，其模型精度和表面粗糙度比较差，零件易变形甚至出现裂纹等，模型强度较低，这些都是该技术目前需要解决的问题。2.4三维印刷工艺（3DP）2.4.4工艺过程3DP工艺的基本流程也可分为前处理、成型及后处理三个阶段，其中后处理一般需要进行以下三个环节：（1）取出成型完毕的制件，在除粉系统中将多余的粉末去除。（2）将制件放入加热炉或成型箱中保温一段时间，使其中的黏结剂进一步固化，以提高制件的强度。（3）有时根据不同的用途，还需要进行其他的后处理工作。2.4三维印刷工艺（3DP）2.3.5应用领域2.3选择性激光烧结成型工艺（SLS）1.3D照相及创意娱乐2.金属零件直接成型3.铸造用砂模成型1.3D照相及创意娱乐目前，3DP工艺的最热门应用是在文创娱乐领域，如当下流行的3D摄影，只需一台3DP全彩打印机和一台三维扫描仪即可实现人物模型的全彩打印。使用3DP工艺制作的全彩人像2.金属零件直接成型3DP工艺还可以用于金属零件的直接成型。使用3DP工艺制造金属零件时，金属粉末被一种特殊的黏合剂黏结成型，将制件从成型设备中取出后，再放入熔炉中烧结即可得到金属零件成品。使用3DP工艺制造的金属零件3.铸造用砂模成型使用3DP工艺可以将铸造用砂制成模具，用于传统的金属铸造，是一种间接制造金属产品的方式。Voxeljet公司制造的砂模以及用该砂模铸造的金属零件a)结构陶瓷制品b)注射模具图6-2采用3DP工艺制作的结构陶瓷制品和注射模具图6-3经过3DP工艺制作的金属制件第一节三维喷涂粘结快速成型工艺2.5分层实体制造成型工艺（LOM）分层实体制造技术（LaminatedObjectManufacturing，LOM）是几种最成熟的快速成型制造技术之一。这种制造方法和设备自1991年问世以来，得到迅速发展。由于叠层实体制造技术多使用纸材，成本低廉，制件精度高，而且制造出来的木质原型具有外在的美感性和一些特殊的品质，因此受到了较为广泛的关注，在产品概念设计可视化、造型设计评估、装配检验、熔模铸造型芯、砂型铸造木模、快速制模母模以及直接制模等方面得到了迅速应用。1986年，分层实体制造成型技术（LOM）由MichaelFeygin发明并申请专利，该技术使用薄片材料、激光与热熔胶来进行制件的层压成型。1990年前后，Feygin组建的Helisys公司在美国国家科学基金会的赞助下，研发出第一台投入商用的快速成型机LOM-1015，成为快速成型技术商业化应用的先驱。2.5分层实体制造成型工艺（LOM）由计算机、材料存储及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台和数控系统和机架等组成。LOM工艺本质上是一种薄片材料叠加技术。首先，供料辊将底面涂有热溶胶的箔材（如涂覆纸、涂覆陶瓷箔、金属箔、塑料箔材）一段段送至工作台的上方，同时激光切割系统在计算机指令的控制下，使用二氧化碳激光束沿模型截面轮廓线切割工作台上的箔材，并将无轮廓区切割成小碎片；分层实体制造技术的原理简图2.5分层实体制造成型工艺（LOM）然后由热压辊将一层层箔材压紧并黏合在一起。在这个过程中，可升降工作台支撑着正在成型的工件，并在每层成型完毕之后，降低一个纸厚，以便送入、黏合并切割新的一层。2.5.1工作原理截面轮廓及网格废料在叠层实体快速成型机上，截面轮廓被切割和叠合后所成的制品如下图所示。其中，所需的工件被废料小方格包围，剔除这些小方格之后，便可得到三维工件。2.5分层实体制造成型工艺（LOM）2.5.2使用材料LOM工艺使用的成型材料是为单面涂覆有热熔性黏结剂的片状材料，由基体材料和粘结剂组成。常用于LOM工艺的基体材料有纸片材、金属片材、陶瓷片材和复合材料片材等，因为涂覆纸价格较为便宜，所以目前的LOM基体材料主要为纸材。基于LOM工艺所用材料特点，采用该工艺成型时必须注意以下问题：（1）由于主要采用纸片材作为基体，又需要剥离废料，因此制作复杂的薄壁件非常困难，需要注意提高制件的强度和刚度。（2）需保证成形材料能够被可靠地送入设备。（3）热熔胶涂覆纸厚薄往往不均匀，制件高度方向上的精度较难以保证。（4）使用涂覆纸材料成型的制件容易吸潮变形，要注意调节环境的湿度，或进行防潮后处理。2.5分层实体制造成型工艺（LOM）使用材料薄层材料:纸、塑料薄膜、金属箔等粘结剂:热熔胶制备工艺：涂布工艺纸的性能要求：1）抗湿性2）良好的浸润性3）抗拉强度4）收缩率小5）剥离性能好6）易打磨，表面光滑7）稳定性2.5分层实体制造成型工艺（LOM）热熔胶：1）良好的热熔冷固性（约70~100℃开始熔化，室温下固化）。2）在反复“熔融－固化”条件下，具有较好的物理化学稳定性。3）熔融状态下与纸具有较好的涂挂性和涂匀性。4）与纸具有足够粘结强度。5）良好的废料分离性能。叠层实体快速成型制造设备Helisys公司的LOM-2030机型2.5分层实体制造成型工艺（LOM）Solidimension公司开发的SD300叠层打印机2.5分层实体制造成型工艺（LOM）SD300叠层打印机耗材配件及制作的模型2.5分层实体制造成型工艺（LOM）HRP系列薄材叠层快速成型机2.5分层实体制造成型工艺（LOM）2.5.3技术特点技术优势（1）材料不会发生化学变化，没有多余热量影响未加工材料，无收缩和热应力变形。（2）成型速度快。只需激光器沿着物体轮廓进行切割，无需扫描整个断面，因此成型速度快，常用于加工内部结构简单的大型零件。（3）可以制造一些大型零件。（4）原材料价格便宜，制作成本低廉。（5）无需设计和构建支撑结构。（6）原型材料无毒性，无环境污染。与其他工艺相比，LOM工艺因其材料成本低、成型速度快等特殊品质而受到广泛关注，但同时该工艺也存在自身的一些局限性。2.5分层实体制造成型工艺（LOM）2.5.3技术特点技术局限（1）可实际应用的原材料种类较少。理论上可使用多种材料，但目前实际应用的只有纸，其他仍在研发当中。（2）成型完成的制件表面粗糙，，有台阶状纹理，须后处理。（3）必须进行防潮处理。纸容易吸湿变形，需进行树脂、防潮漆涂敷处理。（4）废料去除困难。复杂结构难以剥离废料。2.5分层实体制造成型工艺（LOM）2.5.4工艺过程LOM工艺的具体过程大致分为图形处理、基底制作、原型制作、余料去除以及后置处理五个环节：（1）图形处理借助三维造型软件构建产品的三维模型，然后将得到的三维模型转换为STL文件，再将STL文件格式的模型导入专用的切片软件中，进行切片。（2）基底制作为了将LOM制作的原型与工作台牢固连接，这就需要制作基底，通常是设置3~5层的叠层作为基底，为使基底更牢固，可以在制作基底前给工作台预热。（3）原型制作制作完基底后，LOM快速成型机会根据事先设定好的加工工艺参数，自动完成原型的加工制作。（4）余料去除余料去除是一个极其繁琐的过程，最重要的是要熟悉制件的结构特征，这样在剥离的过程中才会尽量不损坏制件。（5）后置处理余料去除以后，为提高制件表面质量，还需要对成型件进行后置处理，如防水、防潮、表面涂覆处理等。2.5分层实体制造成型工艺（LOM）分层叠加前处理后处理STL文件切片处理设置工艺参数基底制作原型制作余料去除表面质量处理提高强硬度处理激光切割速度加热辊温度切片软件精度切碎网格尺寸2.5分层实体制造成型工艺（LOM）2.5.5应用领域1.产品设计评估2.产品装配检验3.铸造用型芯制造4.制模用母模成型5.模具直接制造LOM工艺因其独特的优点（特别是适合进行大尺寸工件成型的优势）而得到广泛的应用，但是LOM工艺材料利用率不高，因而颇被诟病，随着快速成型新技术的不断涌现，LOM工艺很有可能面临被逐步淘汰的境况。2.5分层实体制造成型工艺（LOM）轿车前照灯轿车后组合灯根据某公司提出的轿车系列车灯产品开发要求，利用叠层实体快速成型机按三维计算机模型进行各种车灯的快速原型制造，上图为轿车前照灯和后组合车灯产品的L